CN102313538A - 一种免棱镜地表沉降面监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免棱镜地表沉降面监测方法，包括以下步骤：1)将自动全站仪安装后，选取4个区域控制点；2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值；3)根据各点坐标和测站点坐标，得到自动全站仪的水平方向角和垂直角；4)自动全站仪通过自动马达将照准轴旋转到该角度上，测得测站点到各格网点之间的距离S及垂直角α，最后通过公式H＝D·tgα得到测站点到各格网点之间的高差H；5)将最后得到的数据存储在自动全站仪上，自动全站仪通过无线发射模块将数据发送给上位机；6)上位机将数据处理后在显示屏上显示最后的结果。与现有技术相比，本发明具有解决一些无法安置圆棱镜的硬性平整表面的沉降监测等优点。

Description

一种免棱镜地表沉降面监测方法

技术领域

本发明涉及一种地表沉降面监测方法，尤其是涉及一种免棱镜地表沉降面监测方法。

背景技术

目前，对自动全站仪的应用通常使用棱镜，在地表沉降监测中，几乎没有使用免棱镜测量进行的。然而，在一部分比较特殊的监测区域内，如机场跑道、滑行道、高速公路等，视线可以通过但无法使用棱镜进行监测的部位仍需要采用退而求次的监测方法。即便使用了免棱镜自动全站仪，更多的是针对无法安置棱镜时的单点测量。由于免棱镜自动全站仪的测距精度较圆棱镜测距精度要低，并且免棱镜测距对气象条件、周边环境要求较高，由此获得的单个测点值难免有一定的波动，通过报表形式反应的单个点的累计沉降值，很难直观的反应一个区域内的沉降情况。即便是使用免棱镜的方法进行监测，但基本上没有从作业方法、全站仪外业控制、数据传输方式、内业数据接收、累计沉降量计算、生成三维图型这些关键流程上形成系统的解决方案的先例。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种解决一些无法安置圆棱镜的硬性平整表面的沉降监测的免棱镜地表沉降面监测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种免棱镜地表沉降面监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将自动全站仪安装后，选取4个区域控制点，相邻点两两连接，确定长边和短边等分点个数，并获得测站点坐标及4个区域控制点坐标；

2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值；

3)根据各点坐标和测站点坐标，得到自动全站仪的水平方向角和垂直角；

4)自动全站仪获得水平方向角和垂直角后，通过自动马达将照准轴旋转到该角度上，测得测站点到各格网点之间的距离S及垂直角α，计算得到两点在同一平面上的最短距离D＝S·COSα，最后通过公式H＝D·tgα得到测站点到各格网点之间的高差H；

5)经过反复测试，获取多组数据，通过剔除粗差、取平均数方法来得到最后的数据，将最后得到的数据存储在自动全站仪上，自动全站仪通过无线发射模块将数据发送给上位机；

6)上位机通过无线接收模块接收数据，经数据处理后在显示屏上显示最后的结果。

所述的步骤2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值步骤如下：

令每点的三维坐标为(X、Y、Z)，按点数将两点间的距离等分，则通过以下几式，

通过公式(1)求两点间的距离D_1～2；

$D_{1~2}=\sqrt{{(X_2-X_1)}^2+{(Y_2-Y_1)}^2+{(Z_2-Z_1)}^2}---\left(1\right)$

通过公式(2)求各等分的距离，N为输入参数即长边或宽边的等分点数；

Di＝D_1～2/N    (2)

通过公式(3)通过X，Y坐标计算两点间的水平方向角，其中Hor表示水平方向角；

$\mathrm{Hor}=\mathrm{arctg}\frac{X_2-X_1}{Y_2-Y_1}---\left(3\right)$

通过公式(4)通过高差与距离计算两点间的垂直角，其中表示两点间的垂直角；

$\mathrm{Vi}=\arcsin \frac{Z_2-Z_1}{D_{1~2}}---\left(4\right)$

由4个区域控制点确定工作面后，即两两相邻点可构成空间上的一条线，在该条线上的任意两点的水平方向角和垂直角是相等的，即一条线上的水平方向角和垂直角可由该线上的任意两点唯一确定，则有，空间上一条直线上已知一点坐标，到另一点的距离、垂直角和水平方向角则可得另一点的三维坐标，则通过公式(5)计算各点坐标：

$\left.\begin{array}{c}{X}_i=X_1+d_i\·\cos V_i\·\cos H_{\mathrm{or}}\\ Y_i=Y_1+d_i\·\cos V_i\·\sin H_{\mathrm{or}}\\ Z_i=Z_1+d_i\·\sin V_i\end{array}\right\}---\left(5\right)$

所述的上位机包括数据库操作子模块、图形操作子模块、数据通讯子模块、数据处理子模块、报表制作子模块，所述的数据通讯子模块设有无线接收模块。

所述的无线发射模块为STR-15USB无线数据发送器。

所述的无线接收模块为STR-15USB无线数据接收器。

与现有技术相比，本发明具有解决一些无法安置圆棱镜的硬性平整表面的沉降监测，补充在该种条件下常规监测方法上的不足；解决单个测点值的波动问题，采用了监测面的形式，取一段时间内的累计沉降及测点坐标，建立三维模型，生成三维沉降面，从而有效的反应监测面在一段时间内的沉降情况。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图；

图2为本发明实施例的控制区域的网格图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种免棱镜地表沉降面监测方法，包括以下步骤：

1)将自动全站仪1安装后，接通电源3，选取4个区域控制点，相邻点两两连接，确定长边和短边等分点个数，并获得测站点坐标及4个区域控制点坐标，若图2所示；

2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值；

3)根据各点坐标和测站点坐标，得到自动全站仪1的水平方向角和垂直角；

4)自动全站仪1获得水平方向角和垂直角后，通过自动马达将照准轴旋转到该角度上，测得测站点到各格网点之间的距离S及垂直角α，计算得到两点在同一平面上的最短距离D＝S·COSα，最后通过公式H＝D·tgα得到测站点到各格网点之间的高差H；

5)经过反复测试，获取多组数据，通过剔除粗差、取平均数方法来得到最后的数据，将最后得到的数据存储在自动全站仪1上，自动全站仪1通过无线发射模块11将数据发送给上位机2；

6)上位机2通过无线接收模块221接收数据，经数据处理后在显示屏上显示最后的结果。

所述的步骤2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值步骤如下：

令每点的三维坐标为(X、Y、Z)，按点数将两点间的距离等分，则通过以下几式，

通过公式(1)求两点间的距离D_1～2；

$D_{1~2}=\sqrt{{(X_2-X_1)}^2+{(Y_2-Y_1)}^2+{(Z_2-Z_1)}^2}---\left(1\right)$

通过公式(2)求各等分的距离，N为输入参数即长边或宽边的等分点数；

Di＝D_1～2/N    (2)

通过公式(3)通过X，Y坐标计算两点间的水平方向角，其中Hor表示水平方向角；

$\mathrm{Hor}=\mathrm{arctg}\frac{X_2-X_1}{Y_2-Y_1}---\left(3\right)$

通过公式(4)通过高差与距离计算两点间的垂直角，其中表示两点间的垂直角；

$\mathrm{Vi}=\arcsin \frac{Z_2-Z_1}{D_{1~2}}---\left(4\right)$

由4个区域控制点确定工作面后，即两两相邻点可构成空间上的一条线，在该条线上的任意两点的水平方向角和垂直角是相等的，即一条线上的水平方向角和垂直角可由该线上的任意两点唯一确定，则有，空间上一条直线上已知一点坐标，到另一点的距离、垂直角和水平方向角则可得另一点的三维坐标，则通过公式(5)计算各点坐标：

$\left.\begin{array}{c}{X}_i=X_1+d_i\·\cos V_i\·\cos H_{\mathrm{or}}\\ Y_i=Y_1+d_i\·\cos V_i\·\sin H_{\mathrm{or}}\\ Z_i=Z_1+d_i\·\sin V_i\end{array}\right\}---\left(5\right)$

所述的上位机2包括数据库操作子模块21、图形操作子模块23、数据通讯子模块22、数据处理子模块24、报表制作子模块24，所述的数据通讯子模块22设有无线接收模块221。所述的无线发射模块11为STR-15USB无线数据发送器。所述的无线接收模块221为STR-15USB无线数据接收器。

本发明主要是通过徕卡TCRA1201全站仪通过控制集成软件LSMS对待测区域进行自动无棱镜扫描，得出待测区域的三维坐标。并与原始数据比较得出表面位移变化量。其高程的测量采用的是三角高程。

该种方法，主要是针对监测区域的混凝土表面、柏油马路表面或是其它材质的平整表面，无法直接在其监测区域表面布设监测点的，或人无法到达的区域进行自动化监测的系统。该系统的野外数据采集部分，通过编写在全站仪上可以运行的程序，控制全站仪在确定待测区域后自动计算区域内的格网坐标，通过计算坐标找到相应点位，并测得高程。

自动全站仪1内载软件

为达到自动全站仪1自动扫描的目的，基于自动全站仪1的操作系统进行二次开发。按照使用4个区域点确定区域，再根据区域点计算出各方格网交点的三维坐标，最后计算出架站点到每个交点的水平角和竖直角，全站仪根据每个格网点的水平角和竖直角自动旋转到该角度上，使用免棱镜测量架站点到格网点的距离。

通过测得的距离，计算出该格网点的高程。经过反复的测量格网点，获得足够的多余观测数，使用剔除粗差、取平均数等方法来获得满足要求的变形量。

无线传输

无线传输的目的是解决人无法随时进入机场内部拷贝数据的问题。当然在选择无线传输的方式时，还应解决机场对相应频段信号时而进行屏蔽的问题。除此之外，无线传输系统还包括以下几个方面：

(1)在本项目中，通过机载软件，将所测得的数据写到RS232端口，再使用经过改进后的STR-15USB，从RS232端口取出通过433MHz民用频段向外发射。

(2)在接收端，使用集成在LSMS数据处理软件上的无线控制全站仪软件通过联接在计算机端的STR-15USB设备进行接受。另一方面，通过该设备同时控制全站仪的测量间隔，方格网密度，开机，关机等。

上位机2

上位机2内的软件主要是LSMS全站仪扫描监测处理软件。支持ACCESS和SQL SERVER数据库，在网络方式上是基于C/S架构的系统软件。主要包括数据库操作子模块21、图形操作子模块23、数据通讯子模块22、数据处理子模块24、报表制作子模块25等。在处理测量数据时，借助以上这些功能，获取合并数据后及合并数据前的变化情况进行合理的分析，使得最终报表能清晰的反应出盾构掘进的变化情况。

Claims (5)

1.一种免棱镜地表沉降面监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将自动全站仪安装后，选取4个区域控制点，相邻点两两连接，确定长边和短边等分点个数，并获得测站点坐标及4个区域控制点坐标；

2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值；

3)根据各点坐标和测站点坐标，得到自动全站仪的水平方向角和垂直角；

4)自动全站仪获得水平方向角和垂直角后，通过自动马达将照准轴旋转到该角度上，测得测站点到各格网点之间的距离S及垂直角α，计算得到两点在同一平面上的最短距离D＝S·COSα，最后通过公式H＝D·tgα得到测站点到各格网点之间的高差H；

5)经过反复测试，获取多组数据，通过剔除粗差、取平均数方法来得到最后的数据，将最后得到的数据存储在自动全站仪上，自动全站仪通过无线发射模块将数据发送给上位机；

6)上位机通过无线接收模块接收数据，经数据处理后在显示屏上显示最后的结果。

2.根据权利要求1所述的一种免棱镜地表沉降面监测方法，其特征在于，所述的步骤2)通过计算长边和短边的等分点的坐标，分别计算控制区域内的待测点坐标值步骤如下：

令每点的三维坐标为(X、Y、Z)，按点数将两点间的距离等分，则通过以下几式，

通过公式(1)求两点间的距离D_1～2；

$D_{1~2}=\sqrt{{(X_2-X_1)}^2+{(Y_2-Y_1)}^2+{(Z_2-Z_1)}^2}---\left(1\right)$

通过公式(2)求各等分的距离，N为输入参数即长边或宽边的等分点数；

Di＝D_1～2/N    (2)

通过公式(3)通过X，Y坐标计算两点间的水平方向角，其中Hor表示水平方向角；

$\mathrm{Hor}=\mathrm{arctg}\frac{X_2-X_1}{Y_2-Y_1}---\left(3\right)$

通过公式(4)通过高差与距离计算两点间的垂直角，其中表示两点间的垂直角；

$\mathrm{Vi}=\arcsin \frac{Z_2-Z_1}{D_{1~2}}---\left(4\right)$

由4个区域控制点确定工作面后，即两两相邻点可构成空间上的一条线，在该条线上的任意两点的水平方向角和垂直角是相等的，即一条线上的水平方向角和垂直角可由该线上的任意两点唯一确定，则有，空间上一条直线上已知一点坐标，到另一点的距离、垂直角和水平方向角则可得另一点的三维坐标，则通过公式(5)计算各点坐标：

$\left.\begin{array}{c}{X}_i=X_1+d_i\·\cos V_i\·\cos H_{\mathrm{or}}\\ Y_i=Y_1+d_i\·\cos V_i\·\sin H_{\mathrm{or}}\\ Z_i=Z_1+d_i\·\sin V_i\end{array}\right\}---\left(5\right)$

3.根据权利要求1所述的一种免棱镜地表沉降面监测方法，其特征在于，所述的上位机包括数据库操作子模块、图形操作子模块、数据通讯子模块、数据处理子模块、报表制作子模块，所述的数据通讯子模块设有无线接收模块。

4.根据权利要求1所述的一种免棱镜地表沉降面监测方法，其特征在于，所述的无线发射模块为STR-15USB无线数据发送器。

5.根据权利要求3所述的一种免棱镜地表沉降面监测方法，其特征在于，所述的无线接收模块为STR-15USB无线数据接收器。

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